典型中亞熱帶天然闊葉林林木高徑比與胸徑及樹高關(guān)系

嚴銘海，王金池，黃清麟*，莊崇洋，鄭群瑞，卓鳴秀，官曉輝

(1. 中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所 北京 100091；2. 國家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營與生長模擬重點實驗室 北京 100091；3. 福建農(nóng)林大學林學院 福建 福州 350002；4. 建甌萬木林省級自然保護區(qū)管理處 福建 建甌 353105)

高徑比是衡量林分穩(wěn)定性、密度和競爭的重要指標[1-5]，可用于評估林木活力和健康狀況[5-8]，也可用于編制立木材積表以及確定立木生長率，還可在各種森林模型中作為描述競爭效應的顯著預測因子[9]。高徑比還是反映林木干形和林木生長的指標[10-12]，它的大小直接影響木材的質(zhì)量和經(jīng)濟價值[12]。高徑比因林木大小、林木年齡、生長資源的可得性、林分密度和物種組成而異[5]，研究高徑比對于提升森林質(zhì)量和木材產(chǎn)品價值有重要意義[5-8,12]，同時對于更好地理解森林生態(tài)過程至關(guān)重要[3]。

為了更好地表征林木高徑比特征，林木高徑比與胸徑及樹高的關(guān)系引起了國內(nèi)外一些學者的重視[13-15]，林木高徑比與胸徑密切相關(guān)，其隨林木胸徑的增大而減小[15-17]，其關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)來擬合[17-19]，而林木高徑比與樹高的相關(guān)性通常不高，有時呈負相關(guān)[17]，有時呈正相關(guān)[4]。但目前對林木高徑比與胸徑及樹高關(guān)系的研究多是針對整個喬木層，很少基于各亞層[3,16]，且多是集中在結(jié)構(gòu)簡單、單層同齡的人工純林，很少研究天然針闊混交林[17]，未見針對結(jié)構(gòu)復雜、復層異齡多樹種混交的天然闊葉林的相關(guān)研究。對于中亞熱帶天然闊葉林的林層劃分，目前已有科學的、在野外操作簡單易行的和具有一定的生物學意義的林層定量劃分新方法可供選用[20-26]。因此，本研究以典型中亞熱帶天然闊葉林為對象，研究各林層（包括喬木層和各喬木亞層）林木高徑比與胸徑及樹高的關(guān)系，旨在揭示典型中亞熱帶天然闊葉林各林層林木高徑比與胸徑及樹高的關(guān)系特征，為中亞熱帶人工闊葉林、半天然林和天然闊葉林可持續(xù)經(jīng)營提供闊葉林木高徑比方面的參照。

1 研究區(qū)概況

建甌萬木林省級自然保護區(qū)是1957年劃定的全國首批19個天然森林禁伐區(qū)（自然保護區(qū)）之一，是繼鼎湖山之后我國建立的第二個自然保護區(qū)[27]。保護區(qū)位于閩北建甌市境內(nèi)，屬武夷山南坡低山丘陵，海拔230～556 m，地理坐標為27°02′28″ ～27°03′32″ N，118°08′22″～118°09′23″ E，氣候?qū)僦衼啛釒ШＱ笮约撅L氣候，年平均氣溫18.7 ℃，極端最低氣溫-5.9 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃。年平均降水量1700 mm，6月最多，雨日年平均166 d。土壤為中生代燕山運動侵入的花崗巖為主要成土母巖的紅壤，立地類型以Ⅱ類地為主。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

在建甌萬木林省級自然保護區(qū)內(nèi)選擇5個最典型中亞熱帶天然闊葉林[22-23,28]，在5個試驗林分內(nèi)分別設(shè)置50 m × 50 m的樣地，對樣地內(nèi)胸徑≥5.0 cm的林木進行每木調(diào)查，準確調(diào)查測定并記錄每株林木的位置、樹種、胸徑、樹高、枝下高、冠長、冠幅和冠形等因子，采用最大受光面法進行林層劃分[22-23]。各樣地概況見表1，5個樣地各林層的相關(guān)信息詳見《中亞熱帶天然闊葉林林層特征》[24]、《基于林層的典型中亞熱帶天然闊葉林樹種組成與多樣性》[25]。

表1 樣地概況Table 1 General situation of sample plots

2.2 研究方法

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析高徑比與胸徑及樹高的相關(guān)性，運用指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)擬合林木高徑比與胸徑關(guān)系，參考前人的研究[17-19]，選擇以下2種模型對各林層（包括全林分和各亞層）林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線進行擬合。具體表達式如下：

式中：y表示高徑比的大小，x表示胸徑大小，a和b是該模型的參數(shù)，（1）式中b表示林木高徑比在連續(xù)的徑階中減小的速率；（2）式中a表示雙曲線函數(shù)的上下限（b> 0時，a為下限；b<0時，a為上限）。

選用均方根誤差（RMSE）、決定系數(shù)（R2）和平均絕對誤差（AMR）等作為模型評價指標。

3 結(jié)果分析

3.1 各林層林木高徑比平均值及其分布范圍

各林層林木高徑比平均值及其分布范圍如表2，5個樣地全林林木高徑比平均值為103.1，分布范圍為97.2～108.0，數(shù)值變動范圍小（10.8）；各亞層林木高徑比平均值的數(shù)值變動范圍也都不大，其中第Ⅲ亞層的數(shù)值變動范圍最小（8.8）；各亞層高徑比平均值排序為：第Ⅲ亞層（112.7） < 第Ⅱ亞層（89.0） < 第Ⅰ亞層（66.9）。綜合5個樣地各林層林木高徑比分布范圍，全林為27.5～242.5，第Ⅰ亞層為27.5～135.0，第Ⅱ亞層為32.2～181.1，第Ⅲ亞層為43.5～242.5，各亞層最小值與最大值排序與其平均值排序一致。以上結(jié)果反映出：典型中亞熱帶天然闊葉林林木高徑比會因所屬亞層的不同而變化，因此有必要分亞層來探討林木高徑比與胸徑及樹高關(guān)系。

表2 各林層林木高徑比平均值及其分布范圍Table 2 Mean tree height-to-diameter ratio and distribution range of tree height-to-diameter ratio in each stratum

3.2 各林層林木高徑比與胸徑及樹高的相關(guān)性

各樣地各林層林木高徑比與胸徑及樹高關(guān)系的散點圖如圖1和圖2所示，從散點圖可以直觀看出：各樣地各林層林木高徑比與胸徑都呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)；各樣地各林層林木高徑比與樹高的關(guān)系較為復雜，全林的關(guān)系呈現(xiàn)較為明顯的負相關(guān)，但各亞層的關(guān)系較難以判斷。進一步的相關(guān)性分析結(jié)果（見表3）表明：各樣地各林層林木高徑比與胸徑均呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)且相關(guān)系數(shù)都較高，相關(guān)系數(shù)絕對值第Ⅰ亞層（0.896～0.961）和第Ⅱ亞層（0.912～0.971）最高，全林（0.613～0.749）居中，第Ⅲ亞層（0.415～0.596）最低；各樣地各林層林木高徑比與樹高的關(guān)系較為復雜且相關(guān)系數(shù)絕對值都較低（0.020～0.480），全林呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)，第Ⅰ亞層4個樣地呈現(xiàn)無顯著負相關(guān)、1個樣地呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，第Ⅱ亞層2個樣地呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)、2個樣地呈現(xiàn)無顯著負相關(guān)、1個樣地呈現(xiàn)無顯著正相關(guān)，第Ⅲ亞層2個樣地呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)、3個樣地呈現(xiàn)無顯著負相關(guān)。以上研究結(jié)果表明，同一亞層的林木高徑比也會因胸徑不同而變化；各林層林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線擬合是有意義且必要的，但各林層林木高徑比與樹高關(guān)系曲線擬合是沒有意義的；典型中亞熱帶天然闊葉林林木高徑比特征可以采用各林層林木高徑比與胸徑的關(guān)系曲線來表達。

表3 各林層林木高徑比與胸徑及樹高的相關(guān)性Table 3 Correlation of tree height-to-diameter ratio in each stratum with DBH and tree height

圖1 各林層林木高徑比與胸徑的散點圖及關(guān)系曲線圖Fig. 1 Scatter diagram and fitting curve of tree height-to-diameter ratio and DBH in each stratum

圖2 各林層林木高徑比與樹高散點圖Fig. 2 Scatter diagram of tree height-to-diameter ratio and tree height in each stratum

3.3 各林層林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線

采用式（1）和式（2）擬合各樣地各林層林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線，具體參數(shù)值和評價指標結(jié)果如表4所示，采用指數(shù)函數(shù)能很好地描述第Ⅰ亞層、第Ⅱ亞層林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線，R2分別為0.852～0.906和0.830～0.914；而擬合全林分和第Ⅲ亞層的R2明顯偏小，其中全林分（0.465～0.575）高于第Ⅲ亞層（0.202～0.399）。采用雙曲線函數(shù)擬合第Ⅰ亞層、第Ⅱ亞層林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線的效果也很好，R2分別為0.874～0.937和0.856～0.968；而擬合全林分和第Ⅲ亞層的R2也明顯偏小，其中全林分（0.387～0.536）高于第Ⅲ亞層（0.186～0.350）。采用上述2個模型擬合第Ⅰ亞層、第Ⅱ亞層林木高徑比與胸徑關(guān)系曲線時的R2均明顯高于第Ⅲ亞層，其原因是林木高徑比在第Ⅲ亞層時比在第Ⅰ、Ⅱ亞層時受到更多因素的影響，比如競爭因素對第Ⅲ亞層林木高徑比可能有較大影響（相對于第Ⅰ、Ⅱ亞層）。

對比2個模型的擬合效果可知，指數(shù)函數(shù)在擬合全林分和第Ⅲ亞層時的R2相對較高，RMSE和AMR相對較小，而雙曲線函數(shù)在擬合第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層時的R2相對較高，RMSE和AMR相對較小。因此，選用指數(shù)函數(shù)描述全林分和第Ⅲ亞層林木高徑比-胸徑關(guān)系，選用雙曲線函數(shù)描述第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層林木高徑比-胸徑關(guān)系，關(guān)系曲線擬合結(jié)果如圖1。

4 討論

在研究各亞層高徑比與胸徑關(guān)系曲線時，由于第Ⅰ、Ⅱ亞層林木相對較少，可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，本研究嘗試將相對位置較近、樹種組成類似的2和3號樣地、4和5號樣地合成2個新的樣地，用以分析第Ⅰ、Ⅱ亞層高徑比與胸徑關(guān)系，結(jié)果表明，新樣地第Ⅰ、Ⅱ亞層高徑比與胸徑關(guān)系特征與原樣地的一致。

本研究結(jié)果表明，中亞熱帶典型天然闊葉林各林層林木高徑比與胸徑均呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)，這與其他學者對人工針葉林全林林木高徑比[4,15]和天然針葉林全林林木高徑比[13]的研究結(jié)論基本一致，也與其他學者對天然針闊混交林主要樹種的林木高徑比研究結(jié)論基本一致[17]。典型中亞熱帶天然闊葉林各林層林木高徑比與樹高的關(guān)系較為復雜且相關(guān)系數(shù)絕對值都較低（即相關(guān)性不高），這與其他學者對人工針葉林林木高徑比[4]的研究結(jié)論基本一致，也與其他學者對天然針闊混交林主要樹種的林木高徑比研究結(jié)論基本一致[17]。目前對人工針葉林全林林木高徑比與樹高關(guān)系的研究有正相關(guān)[4]，對天然針闊混交林主要樹種的林木高徑比與樹高關(guān)系的研究有負相關(guān)[17]，而本研究各亞層林木高徑比與樹高的關(guān)系較為復雜，有負相關(guān)、也有正相關(guān)，有不顯著相關(guān)、顯著相關(guān)、也有極顯著相關(guān)，這種林木高徑比與樹高關(guān)系的復雜性是否正是典型天然闊葉林所特有的特征有待進一步深入研究。

5 結(jié)論

典型中亞熱帶天然闊葉林林木高徑比會因所屬亞層的不同而變化，因此有必要分亞層來探討林木高徑比與胸徑及樹高關(guān)系；同一亞層的林木高徑比也會因胸徑不同而變化，各林層林木高徑比與胸徑均呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)且相關(guān)系數(shù)都較高，其關(guān)系曲線擬合是有意義且必要的，雙曲線函數(shù)能很好地描述第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層的關(guān)系曲線，指數(shù)函數(shù)更適合描述全林分和第Ⅲ亞層的關(guān)系曲線；各林層林木高徑比與樹高的關(guān)系較為復雜且相關(guān)系數(shù)都較低，其關(guān)系曲線擬合是沒有意義的；典型中亞熱帶天然闊葉林林木高徑比特征需要且可以采用各林層林木高徑比與胸徑的關(guān)系曲線來表達。